CN102046462B - 船舶螺旋桨的中空叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的船舶螺旋桨的中空叶片包括顶部(4)、叶片根部(1)、引入边缘和出口边缘的壁以及内部框架，所述壁通过板(5)互连并且分别形成压力和吸入螺旋表面以及叶片轮廓，其中，中空叶片呈弯刀形并且是铸焊的，内部框架由纵向承载梁(6)和横向承载元件(7)构成，纵向承载梁(6)沿其长度和轮廓在径向上设置在中空叶片的空腔(8，9)中并与叶片横截面轮廓的最大厚度相一致，纵向承载梁(6)的一端焊接到叶片顶部(4)上，其另一端焊接到叶片根部(1)上，横向承载元件(7)沿圆柱形生成线布置，其端部分别焊接到引入边缘的壁(2)和出口边缘的壁(3)上，并且其中部与纵向承载梁(6)连接。此外，在从等于叶片半径的0.5倍的叶片跨度尺寸到叶片根部(1)延伸的叶片段上，引入边缘的质量尽可能地增大并且出口边缘的质量尽可能地减小。

Description

船舶螺旋桨的中空叶片

技术领域

本发明涉及造船，即涉及船舶螺旋桨的构造并且可以用于设计螺旋桨、喷水螺旋桨的叶轮等。

背景技术

出于改善在例如巡洋舰上的生活条件的目的，对船只的噪声和振动水平的要求非常严格，并且增加了各种设备的操作可靠性，所述设备包括例如在渔船和调查船、军舰以及潜水艇上的水下声学设备，这导致降低螺旋桨噪声发出的各种方法的发展。降低螺旋桨噪声发出的一种方法是降低转速，这必须增大螺旋桨的直径（例如增大至8米并且在巡洋舰上更大）。为了减小轴上的负载增加，这方面需要减小螺旋桨的重量，该负载由于其静止性而加重。用于减小螺旋桨重量的一个方向是使用中空叶片结构，除了减小螺旋桨重量以外，其确保了伴随着力通过毂和轴传递到外壳结构产生的叶片振动的减小。

然而，制成中空螺旋桨叶片结构不能完全排除出口叶片边缘在来自于叶片边缘的涡流的影响下的振动，即所谓的边缘噪声（Yu.L.Levkovsky“螺旋桨噪声”，根据A.N.Krylov命名的TsNII，圣彼得堡，2005）。

叶片结构可以从专利No.2117603中得知，该叶片包括引入边缘和出口边缘，其具有异形横截面的形式，其中横截面轮廓的重心和刚性轴线相对于横截面轮廓的流体动力学中心线偏置，以排除自振，其得以实现是因为在叶片的前部安装有重量插入件或在叶片的后部提供空腔。这种叶片不能使噪声降低到所需的水平并且不能降低螺旋桨的重量。

用于船舶螺旋桨的中空叶片结构是已知的（US302,884，07/11/68，No.9539/68，瑞典，B63H1/14），其包括在边缘上彼此互连并且分别形成作用表面和吸收表面的前壁和后壁，并且其由具有位于水平面上的接头的分离区段制成并且具有内部结构（水平和竖直加强肋）。然而，螺旋桨叶片的该结构仅仅为用于减轻叶片结构的重量的对称叶片轮廓提供，其不能降低振动和噪声水平，该振动和噪声源自于螺旋桨在来自入射流的一系列速度场不均匀性的条件下运行，并且叶片边缘的噪声未降低，该情况的发生由当螺旋桨运行时叶片边缘的振动造成。在瑞典专利No.302884中描述的中空螺旋桨叶片（公报第15号，公开于04/28/1971）被认为是最接近的类似方案。

发明内容

本发明的目的在于当螺旋桨运行时降低叶片的振动和边缘噪声，以在减小的叶片重量和高强度特性的情况下利用离散频谱使噪声发出最小化。

该目的得以实现是由于根据本发明的中空叶片是铸焊的，其轮廓具有弯刀（半月形刀）的形状，并且内部结构被制成为纵向承载梁和横向承载元件，其中所述中空叶片包括顶部、根部、由外壳彼此连接并分别形成螺旋桨作用（工作）和吸收表面以及叶片轮廓的引入边缘壁和出口边缘壁、以及内部结构。所述纵向承载梁在径向上沿着其长度并沿着与叶片轮廓横截面的最大厚度相一致（或相符）的轮廓线安装在中空叶片的内空腔内，并且所述纵向承载梁通过其一端焊接到叶片顶部并通过其另一端焊接到叶片的根部。横向承载元件沿着圆柱生成线布置，其端部被焊接到引入边缘壁和出口边缘壁上并且在中央部分被焊接到承载纵向梁上。在从对应于螺旋桨半径的0.5倍的叶片跨距尺寸延伸到叶片根部的叶片段中引入边缘的重量增至最大并且出口边缘的重量减小至最小。

此外，叶片内部空腔由具有0.5-0.8吨/立方米特定比重的复合减振粒状材料填充。

此外，叶片根部被制成为利用减振垫通过机械紧固件附接至螺旋桨毂上。

此外，叶片本体沿着整个轮廓被制成为沿着分隔线接合的分开径向段。

此外，连续地从叶片根部到顶部的外壳区段具有沿叶片顶部到引入边缘和出口边缘方向减小的不同厚度。

中空叶片的轮廓具有弯刀形的形状（弯刀形状的度数为9）并且其实质和效率在于叶片形状是非对称的并且弯刀形状螺旋桨半径并且在叶片跨度尺寸上分布，其中所述弯刀形状适合于一系列速度场不均匀性的每个图像，确保了螺旋桨在螺旋桨预空穴现象低频声发出水平的同时最小化的情况下的改善的推进质量，该声发出由在具有离散频谱的不均匀速度场内的围绕叶片的流体流引起。叶片可以由青铜合金、钢、钛合金或任何用于制造螺旋桨的材料制成。

为了维持强度性能，船舶螺旋桨的弯刀形中空叶片的几何形状具有由外壳构成的结构和具有铸焊结构的构造，其中主承载元件由强有力的径向延伸越过整个叶片跨度与叶片横截面轮廓的最大厚度轮廓的位置相一致并连接叶片顶部和根部的纵向梁体现，并且叶片横截面结构的横向承载元件设置在圆柱形表面中，与主承载元件连接并从叶片的引入边缘壁2延伸到出口边缘壁3，因此将局部负载传递到叶片结构的主纵向承载元件。因此，该结构确保了叶片几何形状和对外壳的支撑，并且外壳和该结构相互作用，以用于承载各种类型的负载，即纵向负载、弯曲负载、扭转负载，这些负载当螺旋桨运行时作用在叶片上。

将其结构固定为叶片的弯刀轮廓的螺旋桨中空叶片的形状在承载各种流体动力负载（包括相反的负载）的同时确保了所有强度参数，其中该形状基于以在呈现一系列速度场不均匀性的入射流中的螺旋桨运行条件为基础选择的叶片几何形状，并且同时保持了螺旋桨的较高推进质量。这也确保了螺旋桨预空穴现象声发出水平的降低，该声发出由具有离散频谱的非均匀速度场中的围绕叶片的流体流引起。

为了降低叶片振动、边缘噪声以及其重量，形成在外壳和内部结构之间的叶片内部空腔8、9填充有复合、具有0.5-0.8吨/立方米的特定比重的减振粒状材料，填充之后内部中空叶片体积自膨胀并有助于降低螺旋桨的重量。

关于具有带有弯刀形叶片的装配结构的现代低噪声螺旋桨，叶片中空部分的体积可以是叶片本体体积的大约30%（如果使形成叶片轮廓的吸收和作用侧的壳体的条件或假定介质厚度等于大约25毫米）。

请求保护的螺旋桨中空叶片的设计能够在低重量和高强度特性的情况下显著降低由在入射流中旋转的叶片的液压弹性振动决定的振动和噪声水平。

附图说明

参考附图进一步解释本发明，其中：

图1示出了当外壳区段被去除时从其活动侧或工作侧观察的叶片的总体图。

图2示出了沿叶片跨度的沿图1中的A-A线的横截面。

图3示出了沿图1中的B-B线的叶片的横截面。

具体实施方式

叶片包括根部1，其是铸造的并用于附接到毂上且具有铸造的引入边缘壁2和出口边缘壁3，所述壁被焊接到根部上并且焊接到铸造为整体件-叶片的端部（尖部）4的顶部上，因此形成叶片轮廓。引入边缘壁2和出口边缘壁3通过外壳5跨过所述边缘在它们之间连接，从而形成叶片的作用（工作）和吸收螺旋桨表面（图1，2）以及弯刀形轮廓（弯刀形状度为θ）。

具有选定的弯刀形状的中空叶片的形状通过外壳从外侧并通过承载结构从内侧固定，其形成铸焊结构，其中该结构的主承载元件是强有力的纵向梁6，其径向延伸越过叶片的整个跨度（沿其长度），位于叶片横截面轮廓的最大厚度的轮廓位置上并且利用焊接将其根部1（图1）与叶片顶部4连接。

叶片承载结构的附加元件是叶片横截面（图1，2）的横向承载元件7，其设置在位于引入边缘壁2和出口边缘壁3之间的圆柱形表面上。横向承载元件7的端部分别被焊接到引入边缘壁2和出口边缘壁3上，并且承载元件7的中间部分通过焊接连接到主承载元件、即连接到纵向梁6，将局部负载传递到其上并且与该结构的主承载元件一起工作，纵向梁6与外壳5一起限定出在入射流介质中运行的叶片的作用和吸收外壳的外表面。叶片金属结构形成内部空腔：相对于纵向梁6布置在引入边缘壁2一侧的空腔8和相对于纵向梁6布置在出口边缘壁3一侧的空腔9（图1，3)。在图1中，位置11表示叶片轴线，位置12表示旋转方向，位置13表示叶片中心线。

所提出的承载结构确保了外壳的支撑并且限定了整个叶片的几何形状，其承担了在外壳和该结构相互作用的接头处所有类型的负载，即纵向负载、弯曲和扭转负载，当螺旋桨运行时这些负载作用在叶片上。

定位在内部加强肋（横向承载元件7）的一侧的表面与同心圆柱体的表面相一致，其轴线为螺旋桨的轴线。同心圆柱表面之间的半径差为螺旋桨半径R（大约200-300毫米）的大约0.10倍，因此获得以确定叶片横截面的位置的同心表面的理论线与相关的螺旋桨半径的位置相一致，从0.30R、0.40R、0.50R等开始到用于叶片横截面结构（金属基体）的理论线的最大容许合理位置，这充分确保了叶片的所有强度需求。为了获得主承载元件、即纵向梁6到扭转中心（到横截面轮廓的液压动力学焦点轴线）的位置的最佳近似，为了确保较低的液压动力扭矩和弯矩值，该结构矩阵被形成，以使得引入边缘壁2的重量增加到最大值，并且伴随着邻接内部空腔8的体积的相应减小，并且出口边缘壁3的重量被减小到最小，并且伴随着邻接内部空腔9的体积的相应增加。该引入边缘和出口边缘的材料的再分配从接近螺旋桨相对半径0.5…0.6R的位置的叶片跨度区域开始一直保持到叶片的上铸造端部4（尖部）形成的区域的开始。

相对于纵向梁6朝向引入边缘壁2和出口边缘壁3设置的内部空腔8和9填充有由具有比重为0.5-0.8吨/立方米的复合减振材料构成的梳子状芯部（图3）。

类似于具有铸造为整体块的叶片的具有组装结构的螺旋桨，可以利用机械紧固件和减振垫圈10将中空叶片在其根部1安装到螺旋桨毂。

带有引入边缘和出口边缘的铸造的引入边缘壁2和出口边缘壁3（该壁焊接到顶部4的铸造部件上）的根部1、外壳5以及承载结构的元件6和7（图1，2，3）形成整个中空铸焊叶片结构的复杂完整几何形状，其形成为金属基体型。叶片结构的金属基体确保了所有强度参数，这些参数通过计算证实，在弹性变形区域内，必须承担所有存在的操作液压动力学的负载，包括扭矩和弯矩，当螺旋桨在水中运行时（包括反向运行）上述负载可能出现。

当由于通过金属构件形成的中空叶片与单件铸造的叶片相比在外观上没有差别并且当根据所要求的结构的涉及其机械强度的螺旋桨的所有需求包括耐腐蚀和耐冲击特性、中空叶片的可靠性和操作耐久性可以被确保时，从所进行的本发明的原型（模拟方案）的研究中可知，合理选择用于该结构的结构元件和具有弯刀形的中空叶片的外壳并且在确保使叶片横截面弯曲和扭曲中心更接近液压力施加的中心的最大可能性的条件下，产生用于减小由于甚至在高度叶片弯刀形状（高度弯曲）下的动力学变形叶片上的液压负载发生的弯曲和扭转振动的情况。

为了实现关于螺旋桨直径的真实值的叶片的铸焊结构，为了方便制造，叶片本体可以被分为多个分开的段，即叶片金属基体的部分，其可以制造成分开的铸件并在分开段的连接面处连接，其轮廓是位于叶片横截面上的相应同心圆柱形表面，其限定了将叶片分为各段的位置。在一般情况下，用于制造大直径叶片的这种叶片部分、即段的数目可以为3-5，这取决于螺旋桨直径和叶片跨度。

为了制造叶片结构的铸造部件，可以使用所有现代铸造工艺（精密压力铸造或模铸、压壳等）。叶片段在结构上类似于用于生产船壳的基座上组装。在叶片的粗装配和利用复合材料填充内部空腔之后，根据螺旋桨制造的一般工艺，叶片首先进行初步机械加工并随后进入装配线以及进行组装螺旋桨的精加工。因此，螺旋桨中空叶片的运行质量（例如，涉及耐腐蚀和耐冲击特性）与那些普通船舶螺旋桨对应。

各叶片段的外壳被连续地在从根部到顶部的方向上由不同厚度的材料制造。

段的前壁和后壁由数个从叶片根部到其顶部变化的不同厚度的薄板制成，所述薄板通过焊接连接，从较大的厚度开始到较薄的厚度，该薄板对称地向着叶片的引入边缘壁2和出口边缘壁3、即叶片结构的主承载元件6的两侧的叶片出口边缘在尺寸上减小。

当中空叶片作为具有最优选弯刀形状的推进器的元件在一组非均匀速度场中工作时，叶片逐渐进入流动下降或加速区域被确保，这是因为其最初的出现在不同叶片区域的瞬时力在不同时间达到其最大值，并且因此作用在各叶片上且由此作用在螺旋桨自身上的瞬时力的振幅减小，且力作用的周期增大，这导致力频谱水平的减小并使具有离散频谱的螺旋桨的噪声发出最小化。

最大振幅可以沿叶片出口边缘观察，即在厚度最小的区域上观察，并且分别地涉及横向力的机械阻力是最小的。因此，利用复合材料填充中空叶片的内部空腔8、9导致弯曲振动能量在叶片区域转换为与减振材料本体内的变化相关的热能。在振动最大的区域内放置复合减振材料不仅能够减小叶片端部边缘的振动，而且减小了整个螺旋桨叶片的振动。因此，由于被叶片出口边缘的液压弹性振动加强，通常被称为“边缘噪声”的声发出分量减小。

与为了减轻边缘噪声和叶片振动而提出的已知设计的螺旋桨叶片相比，利用复合材料填充到叶片内部空腔的结构确保了振动能量和叶片振动的大大减小，并且因此与其相关的声发出减小，由于耗散振动能的增大的表面积，这与具有单件铸造叶片的组装螺旋桨相反。实验性的研究表明船舶中的螺旋桨振动和噪声水平可以超过8-10分贝的幅度减小，其中在船舶中螺旋桨、喷水推进器等的主要噪声源由其叶片的边缘噪声和液压弹性振动决定。

在具有高强度特性和减小重量的情况下，已经提出的船舶螺旋桨的中空叶片的结构能够减小发生在螺旋桨和具有旋转或固定叶片的其他叶片机构（叶轮、轴向泵定子、涡轮机等）在流体流中运行期间的振动和噪声。

Claims (5)

1.一种船舶螺旋桨的中空叶片，包括顶部（4）和根部（1）、引入边缘壁（2）和出口边缘壁（3）以及内部承载结构，其中所述壁之间通过外壳（5）彼此连接并且分别形成作用和吸收螺旋桨表面，其特征在于，所述中空叶片具有弯刀形轮廓并且通过铸焊制造，并且该内部承载结构由纵向承载梁（6）和横向承载元件（7）构成，所述纵向承载梁（6）在径向上沿其长度设置在中空叶片的内部空腔（8，9）中，遵循与叶片横截面轮廓的最大厚度相一致的轮廓线，其一端焊接到叶片顶部（4）上，并且其另一端焊接到根部（1）上，并且横向承载元件（7）沿圆柱形生成线设置，其端部分别焊接到引入边缘壁（2）和出口边缘壁（3）上，且其中间部分连接到纵向承载梁（6）上，在从对应于螺旋桨半径的0.5倍的叶片跨度到叶片根部（1）的叶片的部分上，引入边缘的重量被增加到最大值并且出口边缘的重量被减小到最小值。

2.如权利要求1所述的中空叶片，其特征在于，内部空腔（8，9）填充有具有0.5-0.8吨/立方米的特定比重的复合减振粒状材料。

3.如权利要求1所述的中空叶片，其特征在于，叶片根部被制成为利用减振垫（10）通过机械紧固件附接至螺旋桨毂。

4.如权利要求1所述的中空叶片，其特征在于，叶片本体沿着其整个轮廓被制成为沿着分隔线接合的分开径向段。

5.如权利要求4所述的中空叶片，其特征在于，所述段的外壳（5）由向着尖部、即叶片顶部（4）和向着引入边缘和出口边缘减小的不同厚度的材料制成，其中所述外壳（5）将叶片轮廓固定在连续地从叶片根部（1）到其顶部（4）的横截面上。

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